数字音频原理及应用第3章 数字音频压缩编码
第3章 数字音频处理技术
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3.2.4 音频的编码与压缩技术
音频压缩编码时考虑的因素： 音频质量
数据量
计算复杂度
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常见音频编码算法和标准
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1.波形编码
基于音频数据的统计特性进行的编码，其目 标是使重建语音波形保持原波形的形状。 特点：算法简单，易于实现，可获得高质量 语音。
MIDI音频文件是一个脚本语言，它通过对“事 件”编码，产生声音。一个MIDI事件包含一个音 阶的音调、持续时间和音量等参数。
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1．MIDI乐音合成方法
频率调制（FM）合成法
FM声音合成器波形
原理：根据傅立叶级数理论，任何一种波形信号都可 被分解成若干个频率不同的正弦波
需要以音乐为背景的音响效果，同时从CD －ROM中装载其他数据时； 需要以音乐为背景的音响效果，同时播放波形音 频或实现文-语转换，实现音乐和语音同时输出时。
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3.4.1 常见音频软件简介
1.Cool Edit Pro
专业级多轨录音和音频处理软件。 Syntrillium Software Corporation公司开发。 功能强大、效果出色。 详见下节介绍。
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时域掩蔽
除了同时发出的声 音之间有掩蔽现象之外， 在时间上相邻的声音之 间也有掩蔽现象。包括 超前掩蔽和滞后掩蔽。
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3.1.4 音频信号处理过程 音频数字化过程
第三章 数字音频压缩编码技术及标准精品PPT课件
3.7 MPEG-2音频压缩编码标准
3.8 MPEG-4音频压缩编码标准
合成音频编码
合成/自然音频混合编码
MPEG4 HE-AAC(aacPlus)
EAAC+
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
为了降低传输或存储的费用
频域冗余
听觉冗余
3.3 语音编码技术及标准
3.3.1 语音编码器的性能指标
客观评定方法
3.3.1 语音编码器的性能指标
3.3.1 语音编码器的性能指标
3.3.1 语音编码器的性能指标
3.4 感知音频编码的基本原理
响度
响度
响度
响度
响度
响度
音调
音色
3.5 MPEG-1 音频压缩算法
3.5.1 MPEG-1 音频压缩算法的特 点
3.5.2 MPEG-1 音频压缩编码的基本 原理
3.5.3 MP3 pro
3.6 杜比AC-3音频压缩算法
3.7 MPEG-2音频压缩编码标准
第三章
数字音频压缩编码 技术及标准
窄带语音
窄带语音，又称电话频带语音,信号频带为 300-3400HZ,用于各类电话通信.数字化时采 样频率采用8KHZ,每个样值8b量化,数据传输 率为64bps.
宽带语音
数字音频广播（DAB）信号
高保真立体声音音频信号
数字音频信号进行压缩编码的必要性
谢谢大家
荣幸这一路，与你பைடு நூலகம்行
音频编码和压缩技术的应用
音频编码和压缩技术的应用随着数字媒体的快速发展，音频编码和压缩技术成为了实现高质量音频传输和储存的关键。
本文将探讨音频编码和压缩技术的应用，并介绍几种常见的音频编码和压缩算法。
一、引言随着互联网的普及和移动设备的广泛应用，音频传输和存储的需求逐渐增加。
然而，音频文件通常占据较大的存储空间，传输带宽也往往有限。
因此，音频编码和压缩技术应运而生，以实现更高效的音频传输和储存。
二、音频编码的基本原理音频编码是将模拟声音信号转换为数字信号的过程。
首先，需要对声音进行采样，即按照一定的时间间隔记录声波的振幅。
然后，通过量化将采样到的模拟信号转化为离散的数字信号。
最后，使用编码算法将数字信号压缩表示，以减少所占用的存储空间或传输带宽。
三、常见的音频编码和压缩算法1. PCM编码PCM（Pulse Code Modulation）是一种无损的音频编码算法。
它将原始音频信号通过采样和量化处理，按照每秒采样数和量化位数进行编码。
由于PCM编码不进行任何压缩，因此音频文件较大，传输和存储开销较高。
2. MPEG音频编码MPEG（Moving Picture Experts Group）音频编码是一种流行的有损压缩算法。
它根据人耳对声音的感知特性，通过去除或减弱人耳无法察觉的音频信号细节，来实现压缩。
常见的MPEG音频编码算法包括MP3、AAC等。
3. Vorbis编码Vorbis音频编码是一种开源的有损压缩算法。
它采用了一系列复杂的音频处理技术，如预测编码、掩蔽效应利用等，以提高压缩效率和音频质量。
Vorbis编码适用于音乐等对音质要求较高的场景。
四、音频编码和压缩技术的应用1. 音乐传输和存储音频编码和压缩技术使得音乐在互联网上的分享和传播更加便捷。
用户可以通过各种音频流媒体平台、在线音乐服务等高效地获取和收听音乐，而不必担心带宽和存储空间的限制。
2. 语音通信音频编码和压缩技术在语音通信中扮演着重要的角色。
无论是电话通话还是网络语音通话，都依赖于音频编码和压缩技术，以保证语音的高质量传输和实时性。
数字音频原理及应用教学课件ppt作者卢官明第3章数字音频压缩编码
1第3章数字音频压缩编码⏹3.1 数字音频编码概述⏹3.2 常用数字音频编码技术⏹3.3 MPEG-1音频编码标准⏹3.4 MPEG-2 音频编码标准⏹3.5 MPEG-4 音频编码标准⏹3.6 Enhanced aacPlus编码技术⏹3.7 中国制定的音频编码标准⏹3.8 新一代环绕多声道音频编码格式本章学习目标⏹熟悉数字音频压缩编码的机理。
⏹了解音频编解码器的性能指标和重建音频质量的评价方法。
⏹熟悉数字音频编码的基本方法及分类。
⏹掌握感知音频编码的基本原理，理解子带编码的基本思想。
⏹重点掌握MPEG-1、MPEG-2 AAC的音频编解码原理。
⏹了解AVS音频立体声编解码的原理和DRA多声道数字音频编解码的原理。
⏹了解新一代环绕多声道音频编码格式。
3.1 数字音频编码概述⏹3.1.1 音频信号的分类⏹3.1.2 数字音频压缩编码的机理⏹3.1.3 音频编解码器的性能指标⏹3.1.4 数字音频编码技术的分类⏹3.1.5 数字音频编码标准概述音150Hz ～ 10 000Hz 音200Hz ～ 3 400HzM )50Hz ～ 7 000HzM )20Hz ～ 15 000Hz响10Hz ～ 20 000Hz 音100Hz ～ 9 000Hz 声音的质量与它所占用的频带宽度有关。
3.1.2■数字音频压缩的必要性3.1.2 数字音频压缩编码的机理⏹从信息保持的角度讲,只有当信源本身具有冗余度,才能对其进行压缩。
⏹信号一部分可由另一部分重建或可用另外表达形式简单说明，称为信号有冗余。
⏹音频信号存在着多种形式的冗余。
⏹时域冗余⏹频域冗余⏹听觉冗余⏹去除冗余实现压缩编码。
音频信号的时域冗余⏹幅度分布的非均匀性⏹小幅度样本出现的频率高⏹样值之间的相关性⏹当采样频率为 8kHz 时，相邻样本间的相关系数大于 0.85；⏹周期之间的相关性⏹在特定瞬间，某段声音往往只是总频带 300~3400Hz 的少数几个频率分量在起作用→象某些振荡波一样，在周期与周期之间存在一定的相关性⏹基音之间的相关性⏹男声基音周期为 5~20ms，而典型的浊音持续 100ms⏹静止系数（话音间隙）⏹全双工话路的典型效率约为 40%（静止系数为 0.6）⏹长时自相关性⏹如几十秒内的相关性例: 语音信号的时域冗余‘1’‘2’一个单音 ‘1’基音周期(音调周期)音频信号的频域冗余从频域考察音频信号的功率谱密度：⏹非均匀的长时间功率谱密度⏹长时间功率谱呈现强烈的非平坦性，高频能量较低→时域上相邻样本相关。
第三章 数字电视视音频信号压缩编码技术
为帧内预测编码；三维预测与前面的帧有关，所以也称为帧 间预测编码。
二、 变换编码
变换编码也有变换、量化、编码三大过程：
1、离散余弦变换——DCT的基本思想
DCT变换是把空间域上的信号变换到 频率域上，使能量在空间域上分散分布的 原信号变换后能量在频率域上相对集中到 某些少数区域内，即将空间域上的信号样 值变换成频率域上的系数，经变换后的系 数按频率由低到高分布。
率为 p(xi )，且有 p(xi ) 1，则x1,x2,x3…xn所包含的 i 1
信息量分别为 log2 p(x1), log2 p(x2 ) log2 p(xn ) 。 于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均
信息量为：
H(x) p(x1)log2 p(x1) p(x2)log2(x2)
⑵对每一块像块进行DCT变换。 ⑶对变换后的系数进行量化。 ⑷进行之字形扫描（读出）和零游程编码。
3、DCT压缩编码的过程为：
三、统计编码（熵编码）
统计编码是基于信号统计特性的编码技术。 基本原理：
按信源符号出现概率的不同分配以不同长
度的码字（bit数），概率大的分配以短的码字， 概率小的分配以长的码字。这样使最终的平均
三、压缩的途径及方法
1、行、场逆程不传送，在接收端重新形成。 2、亚奈奎斯特取样 fs＜2fm。使混叠分量与 亮度谱线交错。
3、采用高效编码――信源编码。去除电视信号 中的冗余。
3.3 常用的数字电视视频压缩编码技术
一、 预测编码
1、预测编码的基本原理 利用某种数学模式对以前已知的相关数据进
数字音频第3_2讲 音频压缩编解码[OK]
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（2）心理声学模型 用于ISO/MPEG 11172-3的心理声学模型有两种，原则上它们 都可以用在Layer I、Layer II及Layer III，但模型I适用于Layer I、Layer II，而模型2用于Layer III。 心理声学模型要完成快速傅里叶变换FFT、子带n的声压电平 、绝对阈即白由声场等响度曲线的最小可闻阈、计算掩蔽门限以 及信号掩蔽比SMR。具体内容结合Layer II编码器给予介绍。 （3）比例因子的确定 为了根据掩蔽阈值来对量化噪声整形，每个子带中都引入了比 例因子，如果发现在一个给定的子带中的量化噪声超过了心理声 学模型所提供的掩蔽阈值，那么该子带的比例因子就将被调整以 减少量化噪声。将各个子带内连续的12个样点（子带采样样本） 归为一块（这是考虑声掩蔽的时域掩蔽特性）。当输入PCM样 本的采样频率为48kHz，分割成32子带（频带为0.75kHz)，则子 带样本采样频率为1.5kHz，12个子带样本时间为 (12/1.5) 10-3 = 8 10-3s = 8ms 对每个子带内连续的12个子带样点，进行一次比例因子计算。 找出这12个样本中绝对值中的最大值，此值与表3-6给出的63个 比例因子比较，大于绝对值最大值的一系列值中的最小值定为比 例因子。
模式扩展（mode – extension）：2比特。用于表示立体声的扩 展。 Layer I、Layer II指出哪些子带属于强度立体声， 其他为普通立体声编码。 “00” -> 子带4~31，界限为第4 “01” -> 子带8~31，界限为第8 “10” -> 子带12~31，界限为第12 “11” -> 子带16~31，界限为第16 Layer III指出使用强度立体声、MS立体声其中的一种还是两 种。 “00” -> 关闭强度文体声，MS立体声 “01” -> 开启强度立体声，关闭MS立体声 “10” -> 关闭强度立体声，开启MS立体声 “11” -> 开启强度立体声，开启MS立体声 版权（copyright）：1比特。.,0-无版权。..1-则有版权。 原件/复制（original/copy）：1比特。“0”表示比特流为复制 的，“1”为原件。
如何进行音频编码与压缩
如何进行音频编码与压缩音频编码与压缩是现代科技领域中的重要技术，它可以将音频信号转换为数字形式并压缩存储，从而实现音频的传输和处理。
在本文中，我将介绍如何进行音频编码与压缩的基本原理及常用方法。
第一章：音频编码基础音频编码是将连续的模拟音频信号转换为数字信号的过程。
其目的是减小信号的数据量和提高传输效率。
音频编码可以分为有损压缩和无损压缩两种方法。
1.1 有损压缩有损压缩是指在压缩过程中丢失一部分音频信号的信息，从而实现更高的压缩比例。
常用的有损音频编码方法包括MP3、AAC和OGG等。
1.2 无损压缩无损压缩是指在压缩过程中不丢失任何音频信号的信息，但压缩比例相对较低。
常见的无损音频编码方法有FLAC和ALAC等。
第二章：MP3音频编码与压缩MP3是目前最为广泛应用的音频编码与压缩格式。
它的优势在于压缩比例高且音质损失较小。
2.1 MP3编码原理MP3采用了以人耳听觉特性为基础的心理声学模型，并结合了离散余弦变换(DCT)、量化和哈夫曼编码等技术。
首先，通过DCT将时域信号转换为频域信号；然后，对频域信号进行量化，去除一些听觉上不敏感的信号成分；最后，再使用哈夫曼编码对量化后的频域信号进行进一步压缩。
2.2 MP3压缩方法MP3的压缩方法主要包括有损压缩和无损压缩两种。
有损压缩主要通过减少和丢弃不重要的信号成分来实现，而无损压缩则通过优化编码算法来达到较高的压缩比例。
第三章：AAC音频编码与压缩AAC是一种高级音频编码格式，具有更高的音质和更低的比特率，被广泛应用于音乐和视频领域。
3.1 AAC编码原理AAC采用了一种叫做MDCT（Modified Discrete Cosine Transform）的分析变换技术，能够更好地提取音频信号的频率特征。
在量化和编码过程中，AAC还引入了更加精细的量化表和自适应编码算法，以提升音频质量和压缩比。
3.2 AAC压缩方法AAC压缩方法主要包括有损压缩和无损压缩两种。
第3章_数字音频处理技术
▪ 其中8kHz ，11.025 kHz，22.05 kHz，44.1 kHz 是音频工业标准采样频率，多数声卡都支持。市 场上的非专业声卡的最高采样率为48kHz，专业 声卡可高达96kHz或以上。
▪ 例如：8位的声音从最低到最高有28，即256个级别，16位 声音有216，即65536个级别。位数越多，音质越细腻，但 数据量也越大。
❖ 量化位数主要有8位和16位两种。专业级别使用24位 甚至32位。
❖量化的方法可以归纳为两类：一类称为均 匀量化，另一类称为非均匀量化。
均匀量化
❖ 采用相等的量化间隔 对采样得到的信号做 量化就是均匀量化。
❖把量化后的值写成有利于计算机传输和存 储的数据格式，这称之为编码。
例如，模拟电压幅度、量化和编码的关系
电压范围(V) 0.5～0.7 0.3～0.5 0.1～0.3 -0.1～0.1 -0.3～-0.1 -0.5～-0.3 -0.7～-0.5 -0.9～-0.7
量化 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4
编码 011 010 001 000 111 110 101 100
3. 影响声音数字化质量的主要因素
❖ 采样频率：也就是每秒钟需要采集多少个 声音样本
❖量化位数：每个声音样本的位数应该是多 少，也叫量化精度
❖声道数：指所使用的声音通道的个数
（1） 采样频率
❖采样频率决定了声音的保真度 。频率以kHz （千赫兹）去衡量。
音频文件格式
▪ VOC：Creative公司的声霸卡(Sound Blaster)使用的 波形音频文件格式。
▪ MID：Windows的MIDI文件（MIDI Audio）存储格式。 ▪ MP3： MP3压缩格式文件。
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3.1.3 音频编/解码器的性能指标
1、重建音频质量及其评价方法
用于评价重建音频质量的方法可分为：主观评价和客观评
价两类。
主观评价方法又分为：
客观评价方法又分为：
可懂度评价方法
时域测度评价方法
判断韵字测试（DRT）
信噪比
改进的韵字测试
加权信噪比
音质的评价方法
平均分段信噪比
第3章 数字音频压缩编码
3.1 数字音频编码概述 3.2 常用数字音频编码技术 3.3 MPEG-1音频编码标准 3.4 MPEG-2 音频编码标准 3.5 MPEG-4 音频编码标准 3.6 Enhanced aacPlus编码技术 3.7 中国制定的音频编码标准 3.8 新一代环绕多声道音频编码格式
频更敏感 人耳对语音信号的相位不敏感 凡是人耳感觉不到的成分，即对人耳辨别声音的强度、音
调、方位没有贡献的成分，称为与听觉无关的“不相关” （Irrelevance）部分，都可视为是冗余的，可以将它们压 缩掉。
数字音频压缩编码的目的
数字音频压缩编码的目的，是在保证重构 声音质量一定的前提下，以尽量少的比特数来 表征音频信息，或者是在给定的数码率下，使 得解码恢复出的重构声音的质量尽可能高。
50Hz ～ 7 000Hz 20Hz ～ 15 000Hz 10Hz ～ 20 000Hz
3.1.2 数字音频压缩编码的机理
■数字音频压缩的必要性
1秒钟声音文件的数据量（不压缩）： 采样频率（Hz） 量化精度（比特数）声道数 （MB） 8 1024 1024
例：计算1分钟双声道、16bit量化精度、44.1kHz采 样频率声音的不压缩的数据量是多少？
次声波 <20Hz
音频信号 20～20 000Hz
超声波 >20 000Hz
3.1.1 音频信号的分类
声音的质量与它所占 用的频带宽度有关。
男性语音 女性语音 电话语音 调幅广播(AM) 调频广播(FM) 高保真音响
100Hz ～ 9 000Hz 150Hz ～ 10 000Hz 200Hz ～ 3 400Hz
整个谱也随频率增加而递减。 功率谱的细节以基音频率为基础，形成高次谐波结构。
音频信号的短时功率谱
浊音
清音
音频信号的听觉冗余
人耳的听觉感知机理
人耳的听觉具有掩蔽效应（ Masking Effect ），利用掩 蔽效应来掩盖量化失真
人耳对音频信号的幅度、频率的分辨能力是有限的 人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通常对低频比对高
本章学习目标
熟悉数字音频压缩编码的机理。 了解音频编解码器的性能指标和重建音频质量的评价方法。 熟悉数字音频编码的基本方法及分类。 掌握感知音频编码的基本原理，理解子带编码的基本思想。 重点掌握MPEG-1、MPEG-2 AAC的音频编解码原理。 了解AVS音频立体声编解码的原理和DRA多声道数字音频编
3.1.3 音频编/解码器的性能指标
3、算法的复杂度
一般而言，在音频质量相同的情况下，数码率越低，算法复 杂度越高。编/解码算法的复杂度与硬件的实现有很密切关 系，它决定了硬件实现的复杂程度、功耗和成本。
从频域考察音频信号的功率谱密度： 非均匀的长时间功率谱密度
长时间功率谱呈现强烈的非平坦性，高频能量较低 时域上相邻样本相关。
语音特有的短时功率谱密度
语音的短时功率谱，在某些频率出现峰值（该频率称 为共振峰频率），在另外一些频率上出现谷值。
出现共振峰的频率不止一个，最主要的是前两个，决 定了不同的语音特征。
时域冗余 频域冗余 听觉冗余
去除冗余实现压缩编码。
音频信号的时域冗余
幅度分布的非均匀性
小幅度样本出现的频率高
样值之间的相关性
当采样频率为 8kHz 时，相邻样本间的相关系数大于 0.85；
周期之间的相关性
在特定瞬间，某段声音往往只是总频带 300~3400Hz 的少数几个频率 分量在起作用象某些振荡波一样，在周期与周期之间存在一定的相 关性
3.1.3 音频编/解码器的性能指标
2、数码率（比特速率）
降低数码率往往是语音编码的首要目标。数码率越低，压缩效率越高。 语音编码器分成两类：固定速率编码器和可变速率编码器。 现有大部分编码标准都是固定速率编码，其范围为0.8kbit/s ~64kbit/s。
可变速率编码是近年来出现的新技术：两方通话大约只有40%的时间是真 正有声音的，因此可采用通/断二状态编码。 通状态对应有声期，采用固定速率编码；断状态对应无声期，传送极低比 特速率信息（如背景噪声特征等），甚至不传送任何信息。
平均意见得分（MOS） 频域测度评价方法
判断满意度测量（DAM） 巴克谱失真测度
MUSHRA
美尔谱失真测度
……
评价方法
主观评价
客观评价
可懂度评价
音质评价
平均意见得分 （MOS）
判断满意度测量 （DAM）
计算较简单，但没有 考虑实际情况，故适 用于高数码率语音编 码质量的评价
基音之间的相关性
男声基音周期为 5~20ms，而典型的浊音持续 100ms
静止系数（话音间隙）
全双工话路的典型效率约为 40%（静止系数为 0.6）
长时自相关性
如几十秒内的相关性
例: 语音信号的时域冗余
‘1’
‘2’
一 个 单 音 ‘1’ 基音周期(音调周期)
音频信号的频域冗余
解码的原理。 了解新一代环绕多声道音频编码格式。
3.1 数字音频编码概述
3.1.1 音频信号的分类 3.1.2 数字音频压缩编码的机理 3.1.3 音频编解码器的性能指标 3.1.4 数字音频编码技术的分类 3.1.5 数字音频编码标准概述
3.1.1 音频信号的分类
声音信号按频率划分：
S 44.1103 16 2 60 10.09(MB) 81024 1024
3.1.2 数字音频压缩编码的机理
从信息保持的角度讲,只有当信源本身具有冗余度, 才能对其进行压缩。
信号一部分可由另一部分重建或可用另外表达形 式简单说明，称为信号有冗余。
音频信号存在着多种形式的冗余。